一种用于教学实验设备的嵌入式无线Wi—Fi通信模块设计

郭志强+温渤婴

摘 要 针对高校微机继电保护实验教学设备，提出一种基于MT7681 Wi-Fi（Wireless Fidelity）系统单芯片的无线通信解决方案，详细介绍以MT7681芯片为基础的无线通信模块的设计，在此基础上对实验设备的通信部分进行嵌入式开发，取代原有的RS232和USB等有线通信方式，最终实现微机继电保护系统的无线Wi-Fi通信。

关键词 微机保护；实验设备；Wi-Fi；嵌入式；MT7681；通信模块

中图分类号：G642.423 文献标识码：B

文章编号：1671-489X（2017）18-0031-04

Design of Embedded Wireless Wi-Fi Communication Module for

Teaching Experiment Equipment//GUO Zhiqiang， WEN Boying

Abstract Aiming at the experimental teaching equipment of micro-computer relay protection in school ，This paper presents a single chip wireless communication solution based on MT7681Wi-Fi （Wire-

less Fidelity） Single chip system， The design of wireless communi-cation module based on MT7681 chip is introduced in detail. On the

basis of the above， the communication part of the experimental equip-

ment is embedded，replacing the original RS232 and USB cable communication. Finally， the wireless Wi-Fi communication is rea-lized in the microcomputer relay protection system.

Key words microcomputer protection； experimental equipment； Wi-

Fi； embedded； MT7681； communication module

1 引言

实验学习是学生理解掌握理论知识的重要环节。智能实验设备常需要繁杂接线以传递数字信息。在实验中常用的通信方式有RS232等串口、USB、以太网和光纤等，这些通信方式各有优缺点。

RS232接口是一种用于近距离（30～60 m）、慢速度、点对点通信的通信协议。在RS232中一个信号只用到一条信号线，采取与地电压参考的方式，因而在长距离传输后，发送端和接收端的电压有出入，容易造成通信出错或速度降低[1]。

USB通信距离太短，只有5 m，对传输时序要求非常严格。虽然USB数据线输出的D+/D-两线跟RS485一样，都是差分信号输出，但其高速传输特性限制了其传输距离和传输环境，通信距离长了，就容易导致两线边沿时序出现偏差，从而传输失败。另外，USB协议比较复杂，不是对等协议，要求所有请求必须由主机发起，设备只能被动接受控制，设备与设备之间无法直接通信。并且多次实验反复接线也会造成接线触点接触不良、接线断线等故障，影响实验的正常进行。

为了克服RS232、USB这两种有线通信方式在实验通信中传输数据的弊端，本文提出基于联发科MT7681 Wi-Fi（Wireless Fidelity）系统单芯片的无线通信解决方案。在实验过程中采用Wi-Fi无线通信，不会出现多次连接有线线路时数据传输失败的情况，并且Wi-Fi通信具有组建简单、无须布线、覆盖范围广等优点[2]，比较符合实验室的操作环境。

2 Wi-Fi芯片MT7681介绍

MT7681是联发科在2014年6月为智能家庭应用而设计的系统单芯片解決方案，采用40管脚5 mm×5 mm QFN封装，为现今尺寸最小的支持IEEE 802.11n标准的系统单芯片，可以轻松地为嵌入式设备提供网络服务[3]。对比其他厂商的Wi-Fi芯片，该芯片具有低功耗、高度整合等特点。主要被运用于家庭自动化、计量、远程控制、网络消费设备等领域。

联发科的MT7681是一个高度集成的Wi-Fi片上系统的单芯片，支持802.11b/g/n等IEEE无线局域网通信标准，并为TCP/IP协议栈的Wi-Fi物理层提供协议支持，同时支持站（station）点模式（即无线终端）和接入（AP）点模式（即无线接入点）的工作方式，这为作为站点的嵌入式模块的无线通信提供了网络基础。

MT7681还内嵌一个32位RISC（精简指令集计算机）微处理器，同时提供UART（通用异步收发传输）与SPI（串行外设接口）接口，这为接收和处理串口数据提供了条件。

其他性能特点：工作在2.4 GHz频率附近，传输速率达到2 Mbps；集成了3.3 V电源管理单元、功率放大器、低噪声放大器、射频切换器；支持GPIO及PWM（脉宽调制）智能化控制。MT7681芯片的引脚布局如图1所示。

3 基于MT7681芯片的无线通信模块硬件设计

由于MT7681芯片本身无线通信的功能以及所要进行嵌入式开发的设备的特点——含有MAX3232芯片的串行接口电路，因此形成的是串口转Wi-Fi的模块。考虑到实验设备通信过程中要保持时间同步，以及模块供电的独立性，故需提供晶振和3.3 V电源部分。再者为了观察通信的状态，通过MT7681的软件脉宽调制功能，可接LED调光器来显示Wi-Fi的通信状态。故最终形成的模块组成图如图2所示。endprint

由图2可知，无线模块主要由电源、天线电路、串口连接电路、闪存连接电路等组成。

Wi-Fi芯片MT7681结合自身的电源管理单元和时钟接口，分别与芯片外的3.3 V的直流电源和40 MHz的晶振相连接，通过UART接口接受来自外面串口设备的数据，并配合SPI闪存芯片W25X40BV将其转化成Wi-Fi信号发送到Wi-Fi无线接口处（网络中）。模块主要接口硬件电路设计表述如下。

MT7681与SPI闪存芯片W25X40BV的接口電路（图3） MT7681可以通过4线SPI总线（FLMOSI、FLMISO、FLCLK、FLCS）设置芯片的工作模式，并实现读/写缓存数据，读/写状态寄存器等。通过MT7681的开发软件SecureCRT设置模块的工作模式为站点，并将配置数据存储到闪存芯片W25X40BV中。

MT7681的天线电路（图4） 第一部分射频输入/输出匹配电路（L1、C2、C3、C4）主要用来匹配模块的输入输出阻抗[4]，使其输入输出阻抗为50 Ω，完成模块与天线

（天线的阻值为50 Ω）之间的功率匹配，以使天线的效率尽可能高。紧接着是双工滤波器（C5、L3、C10、L2、C6），它是一种无源器件，内部包括发射滤波器和接收滤波器，它们都是带通滤波器，作用是将接收射频信号与发射射频信号分离，以防止强的发射信号对接收机造成影响。由于发射信号总是比接收信号强，而强信号对弱信号有抑制作用，会使接收电路被强信号阻塞，使接收的弱信号被淹没，引起接收灵敏度下降，因此，接收滤波器就是阻止发射信号串入接收电平，当然也一并拒收天线接收频段以外的信号，而发射滤波器则拒绝接收频率段的噪声功率及发射调制信号。

通信串口接口电路（图5） 发送数据时，实验设备串口数据经过其MAX3232芯片将电平转换为TTL电平，再通过MT7681无线发送。接收数据则是发送数据的逆过程：MT7681

先接收到数据信号，然后MAX3232将TTL电平转换为串口的标准电平，再向设备的CPU输入数据。

4 模块抗干扰

由于实验设备所处环境有较强的电磁场干扰，因此需要进行电磁屏蔽。具体方法为：将模块置于一个铝质外壳

中，外壳通过RS232接口与下位机外壳连接，实现接地。铝质外壳相当于一个空心的导体，置于电场中，电力线终止于导体表面，从而有屏蔽电场的作用；铝质外壳也相当于一个屏蔽罩，在高频磁场的作用下产生涡流，而涡流的磁场与原磁场方向相反，从而可屏蔽高频磁场[5]。

5 微机实验系统与无线通信

实验系统结构 微机继电保护实验系统是学习微机继电保护硬件原理和各种基本算法的实验平台，由监控计算机、微机保护实验仪（以下简称实验仪）、短路电压电流发生器（以下简称发生器）组成。实验系统的结构图如图6所示。整个实验系统的运行过程为：学生通过监控计算机设置一电网故障，计算机将这一故障通过建立电力系统的各种故障模型进行仿真计算，将仿真的数字结果通过RS232或USB数据线下传给发生器，同时电脑屏幕上会显示故障的电压电流波形；发生器接收到数字信号后通过D/A转化、低通滤波[6]等步骤，输出模拟量的电压电流给实验仪；实验仪也就是保护装置，接收到故障的电压电流后，保护装置动作，切断系统电路，完成保护并通过RS232或USB数据线上传保护的数据给监控计算机[7]。

原有的微机保护系统中发生器和实验仪[7]与监控计算机之间进行数据通信，都是通过RS232串口线或者USB数据线完成的。通过对系统的下位机（发生器和实验仪）进行嵌入式开发，如前文所述，取代原有系统的有线通信方式（RS232和USB）后，形成的数据通信的过程大致如图7所示。

无线通信软件设置 为保证继电保护中数据传输的有效性和可靠性，在监控计算机与下位机之间进行嵌入式开发，将无线通信模块嵌入下位机中。这时还需要有一系列的约定，就是数据传输规约或通信规约，它对通信链路的控制、通信双方的应答关系、通信内容的格式、差错控制方式以及传输速率等进行了一系列的约定[1]。

想要弄清楚如何设置上述参数，就必须了解数据在系统中是如何传播的。图8所示为数据在无线模块中的传输路径。

因为最终形成的是无线转串口的模块，所以关于模块软件设置方面主要是无线Wi-Fi的工作方式和串口设置。

配置IEEE 802.11n工作模式：MT7681支持802.11b/g/n无线通信标准，为通信标准的数据帧格式提供硬件支持[4]。

其MAC层的帧格式为“头帧+数据帧+校验帧”，物理层的帧格式为“同步帧+物理层头帧+MAC帧”，帧头序列的长度可以通过寄存器的设置来改变。可以采用16位CRC校验来提高数据传输的可靠性。发送或接收的数据帧被送入RAM中128字节的缓存区，进行相应的帧打包和拆包操作。

串口设置：UART波特率，UART数据，UART奇偶校验位，UART停止位。

除了上述参数配置外，还需配置模块工作方式和网络连接的基本参数模块采用，而这些参数是以AT+指令集方式来呈现的，通过MT7681芯片的开发软件平台经串口输入到模块中。以下是模块作为服务器站点模式时的配置命令的一个实例：

at+netmode=1 //模块工作模式为站点

at+dhcpc=1 //打开路由DHCP服务器，模块的IP地址自动获得

at+remoteip=192.168.11.245 //上位机的IP地址

at+remoteport=8080 //本地端口

at+remotepro=tcp //采用TCP网络协议

at+timeout=0 //不延时

at+mode=server //模块作为服务器使用

at+uart=115200，8，n，1 //串口参数设置

at+uartpacklen=64 //串口数据打包大小，可自行更改

at+uartpacktimeout=10 //串口组帧时间设置

at+reconn=1 //重启串口服务，收到指令，模块开始传输

至此，模块数据配置完整，实验系统可进行无线通信。

6 结束语

本文详细介绍了嵌入式Wi-Fi模块实现方法，分析了模块与微机保护系统在数据通信方面的联系。从实际需求出发，基于上述技术研发的微机型综合保护教学实验装置已经投入试运行，结果表明，该无线通信设计提高了通信可靠性，简化了实验接线过程，能够满足继电保护通信实验的需要。

参考文献

[1]金明亮，游大海，李正天，等.一种微机保护的光纤通讯设计[J].继电器，2005，33（12）：56-61.

[2]黄佳斌，魏德华，雷琪，等.含有嵌入式Web服务器与Wi-Fi技术的微机型保护测控装置研发[J].电力系统保护与控制，2016，44（24）：117-122.

[3]联发科技推出MIPS内核智能家庭SoC方案[DB/OL].http：//www.eeworld.com.cn/IoT/2014/0604/article_672.html.

[4]王秀梅，刘乃安.利用2.4GHz射频芯片CC2420实现ZigBee无线通信设计[J].国外电子元器件，2005（3）：59-62.

[5]刘江沙，雷伟，尹酉.基于CC2430的串口无线模块的设计[J].国外电子元器件，2007（4）：47-50.

[6]王朕，朱琳，温渤婴.基于PSCAD的继电保护电压电流发生器的研制[J].电力自动化设备，2010，30（8）：121-124.

[7]帅萌，温渤婴.基于DSP的多功能微机保护实验装置[J].农村电气化，2008（8）：31-32.endprint